Radiación Electromagnética

Este elemento es una ampliación de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] Nota: véase también la Historia de la Radiación Electromagnética y sus formas.

Consideraciones Generales de la Radiación Electromagnética

Presencia e importancia

Cerca del 0,01% de la masa/energía de todo el universo se produce en forma de radiación electromagnética. Toda la vida humana está inmersa en ella, y la tecnología de las comunicaciones y los servicios médicos modernos dependen especialmente de una u otra de sus formas. De hecho, todos los seres vivos de la Tierra dependen de la radiación electromagnética recibida del Sol y de la transformación de la energía solar mediante la fotosíntesis en vida vegetal o mediante la biosíntesis en zooplancton, el paso básico de la cadena alimentaria en los océanos.

Más Información

Los ojos de muchos animales, incluidos los de los humanos, están adaptados para ser sensibles y, por tanto, para ver la parte más abundante de la radiación electromagnética del Sol, es decir, la luz, que comprende la parte visible de su amplia gama de frecuencias. Las plantas verdes también son muy sensibles a la máxima intensidad de la radiación electromagnética solar, que es absorbida por una sustancia llamada clorofila que es esencial para el crecimiento de las plantas mediante la fotosíntesis.

Prácticamente todos los combustibles que utiliza la sociedad moderna -gas, petróleo y carbón- son formas almacenadas de energía recibida del Sol como radiación electromagnética hace millones de años. Sólo la energía de los reactores nucleares no procede del Sol.

La vida cotidiana está impregnada de radiaciones electromagnéticas fabricadas artificialmente: los alimentos se calientan en hornos de microondas, los aviones se guían por ondas de radar, los televisores reciben ondas electromagnéticas transmitidas por las emisoras y las ondas infrarrojas de los calefactores proporcionan calor. Las ondas infrarrojas también son emitidas y recibidas por las cámaras automáticas de autoenfoque que miden y ajustan electrónicamente la distancia correcta al objeto a fotografiar.Entre las Líneas En cuanto se pone el Sol, se encienden las luces incandescentes o fluorescentes para proporcionar iluminación artificial, y las ciudades brillan con las coloridas lámparas fluorescentes y de neón de los carteles publicitarios. También es familiar la radiación ultravioleta, que los ojos no pueden ver pero cuyo efecto se siente como el dolor de las quemaduras solares. La luz ultravioleta representa un tipo de radiación electromagnética que puede ser perjudicial para la vida. Lo mismo ocurre con los rayos X, que son importantes en medicina porque permiten a los médicos observar las partes internas del cuerpo, pero cuya exposición debe ser mínima. Menos conocidos son los rayos gamma, que proceden de las reacciones nucleares y la desintegración radiactiva y forman parte de la dañina radiación de alta energía de los materiales radiactivos y las armas nucleares.

El espectro electromagnético

La breve descripción de los fenómenos conocidos que acabamos de exponer ha estudiado la radiación electromagnética desde las bajas frecuencias de ν (ondas de radio) hasta los valores extremadamente altos de ν (rayos gamma). Pasar de los valores ν de las ondas de radio a los de la luz visible es como comparar el grosor de esta página con la distancia de la Tierra al Sol, lo que representa un aumento de un millón de millones. Del mismo modo, pasar de los valores ν de la luz visible a los de los rayos gamma, mucho más grandes, representa otro aumento de la frecuencia por un factor de un millón de millones.Entre las Líneas En la figura 1 se muestra esta amplísima gama de valores ν, denominada espectro electromagnético, junto con los nombres comunes utilizados para sus distintas partes o regiones.

El número ν es compartido tanto por la interpretación clásica como por la moderna de la radiación electromagnética.Entre las Líneas En el lenguaje clásico, ν es la frecuencia de los cambios temporales de una onda electromagnética. La frecuencia de una onda está relacionada con su velocidad c y su longitud de onda λ de la siguiente manera. Si pasan 10 ondas completas en un segundo, se observan 10 contoneos, y se dice que la frecuencia de dicha onda es ν = 10 ciclos por segundo (10 hercios [Hz]). Si la longitud de onda de la onda es, digamos, λ = 3 cm, es evidente que en ese segundo ha pasado un tren de ondas de 30 cm de longitud para producir los 10 contoneos observados. Por tanto, la velocidad de la onda es de 30 cm por segundo, y se observa que en general la velocidad es c = λν. La velocidad de la radiación electromagnética de todo tipo es la misma constante universal que se define como exactamente c = 299.792.458 metros por segundo (186.282 millas por segundo). Las longitudes de onda de las ondas electromagnéticas clásicas en el espacio libre calculadas a partir de c = λν también se muestran en el espectro de la figura 1, al igual que la energía hν de los fotones actuales. La unidad de energía que se utiliza habitualmente es el electrón-voltio (eV), que es la energía que puede proporcionar a un electrón una pila de un voltio. Está claro que el rango de longitudes de onda λ y de energías de los fotones hν es tan grande como el espectro de valores ν.

Como las longitudes de onda y los cuantos de energía hν de la radiación electromagnética de las distintas partes del espectro son tan diferentes en magnitud, las fuentes de las radiaciones, las interacciones con la materia y los detectores empleados son correspondientemente diferentes. Por ello, la misma radiación electromagnética recibe nombres diferentes en las distintas regiones del espectro.

A pesar de estas evidentes diferencias de escala, todas las formas de radiación electromagnética obedecen a ciertas reglas generales que se comprenden bien y que permiten calcular con gran precisión sus propiedades e interacciones con las partículas cargadas de los átomos, las moléculas y los objetos grandes. La radiación electromagnética es, en términos clásicos, una onda de campos eléctricos y magnéticos que se propaga a la velocidad de la luz c a través del espacio vacío.Entre las Líneas En esta onda, los campos eléctricos y magnéticos cambian su magnitud y dirección cada segundo. Esta tasa de cambio es la frecuencia ν medida en ciclos por segundo, es decir, en hertzios. Los campos eléctrico y magnético son siempre perpendiculares entre sí y forman un ángulo recto con la dirección de propagación, como se muestra en la figura 2. La componente eléctrica de la onda transporta tanta energía como la magnética, y la energía es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo.

Producción de la radiación electromagnética

La radiación electromagnética se produce cada vez que una partícula cargada, como un electrón, cambia su velocidad, es decir, cada vez que se acelera o desacelera. La energía de la radiación electromagnética así producida procede de la partícula cargada y, por tanto, se pierde por ella. Un ejemplo común de este fenómeno es la carga o corriente oscilante en una antena de radio. La antena de un transmisor de radio forma parte de un circuito eléctrico de resonancia en el que se hace oscilar la carga a una frecuencia deseada. Una onda electromagnética así generada puede ser recibida por una antena similar conectada a un circuito eléctrico oscilante en el sintonizador que está sintonizado a esa misma frecuencia. La onda electromagnética produce a su vez un movimiento oscilante de carga en la antena receptora.Entre las Líneas En general, se puede decir que cualquier sistema que emita una radiación electromagnética de una frecuencia determinada puede absorber una radiación de la misma frecuencia.

Estos transmisores y receptores fabricados por el hombre se hacen más pequeños a medida que disminuye la longitud de onda de la onda electromagnética y resultan poco prácticos en el rango de los milímetros.Entre las Líneas En longitudes de onda aún más cortas, hasta las de los rayos X, que son un millón de veces más pequeñas, las cargas oscilantes surgen de las cargas en movimiento de las moléculas y los átomos.

La generación de radiación electromagnética se puede clasificar en dos categorías (1) los sistemas o procesos que producen una radiación que cubre un amplio espectro continuo de frecuencias y (2) los que emiten (y absorben) una radiación de frecuencias discretas que son características de sistemas concretos. El Sol, con su espectro continuo, es un ejemplo de la primera categoría, mientras que un transmisor de radio sintonizado a una frecuencia ejemplifica la segunda.

Espectros continuos de radiación electromagnética

Estos espectros son emitidos por cualquier sustancia caliente. El calor es el movimiento irregular de los electrones, los átomos y las moléculas; cuanto más alta es la temperatura, más rápido es el movimiento. Como los electrones son mucho más ligeros que los átomos, el movimiento térmico irregular produce un movimiento oscilatorio irregular de la carga, que refleja un espectro continuo de frecuencias. Cada oscilación en una frecuencia determinada puede considerarse una pequeña “antena” que emite y recibe radiación electromagnética. Cuando un trozo de hierro se calienta a temperaturas cada vez más altas, primero brilla en rojo, luego en amarillo y finalmente en blanco.Entre las Líneas En resumen, todos los colores del espectro visible están representados. Incluso antes de que el hierro comience a brillar en rojo, se puede sentir la emisión de ondas infrarrojas por la sensación de calor en la piel. Un trozo de hierro al rojo vivo también emite radiación ultravioleta, que puede ser detectada por una película fotográfica.

No todos los materiales calentados a la misma temperatura emiten la misma cantidad y distribución espectral de ondas electromagnéticas. Por ejemplo, un trozo de vidrio calentado junto al hierro parece casi incoloro, pero se siente más caliente en la piel (emite más rayos infrarrojos) que el hierro. Esta observación ilustra la regla de la reciprocidad: un cuerpo irradia con fuerza en aquellas frecuencias que es capaz de absorber, porque para ambos procesos necesita las diminutas antenas de esa gama de frecuencias. El vidrio es transparente en el rango visible de la luz porque carece de la posible absorción (véase su concepto jurídico) electrónica en esas frecuencias concretas.Entre las Líneas En consecuencia, el vidrio no puede brillar en rojo porque no puede absorberlo.Entre las Líneas En cambio, el vidrio es un mejor emisor/absorbente en el infrarrojo que el hierro o cualquier otro metal que refleje fuertemente esas ondas electromagnéticas de baja frecuencia. Esta emisividad y absorción (véase su concepto jurídico) selectiva es importante para comprender el efecto invernadero (véase más adelante El efecto invernadero de la atmósfera) y muchos otros fenómenos de la naturaleza. El filamento de tungsteno de una bombilla tiene una temperatura de 2.500 K (4.040 °F) y emite grandes cantidades de luz visible, pero relativamente poco infrarrojo porque los metales, como se ha mencionado anteriormente, tienen pequeñas emisividades en el rango infrarrojo. Esto es, por supuesto, una suerte, ya que uno quiere luz de una bombilla pero no mucho calor. La luz que emite una vela procede de las partículas de hollín muy calientes de la llama, que absorben fuertemente y, por tanto, emiten luz visible.Entre las Líneas En cambio, la llama de gas de una cocina es pálida, aunque esté más caliente que la de una vela, debido a la ausencia de hollín. La luz de las estrellas se origina en la alta temperatura de los gases en su superficie. La superficie del Sol emite un amplio espectro de radiación, cuya temperatura es de unos 5.800 K. La producción de radiación es de 60 millones de vatios por cada metro cuadrado de superficie solar, lo que equivale a la cantidad producida por una central eléctrica comercial de tamaño medio que puede suministrar energía eléctrica a unos 30.000 hogares.

La física, según Britannica, se centra en “la estructura de la materia y las interacciones entre los constituyentes fundamentales del universo observable”. Comprueba cuánto sabes sobre la materia y más con este test.
La composición espectral de un cuerpo calentado depende de los materiales que lo componen. Este no es el caso de un radiador o absorbente ideal. Un objeto ideal de este tipo absorbe y, por tanto, emite radiación de todas las frecuencias por igual y en su totalidad. Un radiador/absorbedor de este tipo se denomina cuerpo negro, y su espectro de radiación se conoce como radiación de cuerpo negro, que depende de un solo parámetro, su temperatura. Los científicos conciben y estudian estos objetos ideales porque sus propiedades pueden conocerse con exactitud. Esta información puede utilizarse para determinar y comprender por qué los objetos reales, como un trozo de hierro o de vidrio, una nube o una estrella, se comportan de forma diferente.

Una buena aproximación a un cuerpo negro es un trozo de carbón o, mejor aún, una cavidad en un trozo de carbón que es visible a través de una pequeña abertura. Hay una propiedad de la radiación del cuerpo negro que es conocida por todos, pero que en realidad es bastante misteriosa. Al calentar el trozo de carbón a temperaturas cada vez más altas, se observa primero un resplandor rojo apagado, seguido de un cambio de color a rojo brillante; al aumentar aún más la temperatura, el color cambia a amarillo y finalmente a blanco. El blanco no es un color en sí mismo, sino el efecto visual de la combinación de todos los colores primarios. El hecho de que el brillo blanco se observe a altas temperaturas significa que el color azul se ha añadido a los observados a temperaturas más bajas. Este cambio de color con la temperatura es misterioso porque uno esperaría, al aumentar la energía (o la temperatura), sólo más de lo mismo y no algo totalmente diferente. Por ejemplo, al aumentar la potencia de un amplificador de radio, se oye la música más fuerte, pero no con un tono más alto.

El cambio de color o la distribución de frecuencias de la radiación electromagnética procedente de cuerpos calentados a diferentes temperaturas siguió siendo un enigma durante siglos. La solución de este misterio por parte del físico alemán Max Planck inició la era de la física moderna a principios del siglo XX. Explicó el fenómeno proponiendo que las diminutas antenas del cuerpo calentado están cuantizadas, lo que significa que sólo pueden emitir radiación electromagnética en cuantos de energía finitos de tamaño hν. La constante universal h se llama en su honor constante de Planck. Para la luz azul hν = 3 eV, mientras que hν = 1,8 eV para la luz roja. Dado que las antenas de alta frecuencia de las cargas vibrantes en los sólidos tienen que emitir cuantos de energía hν más grandes que las antenas de baja frecuencia, sólo pueden hacerlo cuando la temperatura, o el movimiento atómico térmico, es lo suficientemente alto. De ahí que el paso medio, o frecuencia máxima, de la radiación electromagnética del cuerpo negro aumente con la temperatura.

Las numerosas y diminutas antenas de un trozo de material calentado se identifican, como ya se ha dicho, con las cargas que se aceleran y desaceleran en el movimiento térmico de los átomos del material. Hay otras fuentes de espectros continuos de radiación electromagnética que no están asociadas con el calor, pero que aún provienen de cargas aceleradas o desaceleradas. Los rayos X se producen, por ejemplo, al detener bruscamente los electrones que se mueven rápidamente. Esta desaceleración de las cargas produce bremsstrahlung (“radiación de frenado”).Entre las Líneas En un tubo de rayos X, los electrones que se mueven con una energía de Emax = 10.000 a 50.000 eV (10-50 keV) se hacen chocar con un trozo de metal. La radiación electromagnética producida por esta repentina desaceleración de los electrones es un espectro continuo que se extiende hasta la energía máxima de los fotones hν = Emax.

Los espectros continuos más brillantes de la radiación electromagnética proceden, con mucho, de las fuentes de radiación de sincrotrón. Éstas no son muy conocidas porque se utilizan predominantemente para la investigación y, a veces, para aplicaciones comerciales y médicas. Dado que cualquier cambio en el movimiento es una aceleración, las corrientes circulantes de electrones producen radiación electromagnética. Cuando estos electrones circulantes se mueven a velocidades relativistas (es decir, que se acercan a la velocidad de la luz), el brillo de la radiación aumenta enormemente. Esta radiación se observó por primera vez en la General Electric Company en 1947 en un sincrotrón de electrones (de ahí el nombre de esta radiación), que es un tipo de acelerador de partículas que fuerza a los electrones relativistas a entrar en órbitas circulares mediante potentes campos magnéticos. La intensidad de la radiación de sincrotrón se multiplica por más de mil gracias a los onduladores que mueven el haz de electrones relativistas de un lado a otro mediante otros campos magnéticos.

Las condiciones para la generación de bremsstrahlung así como de radiación sincrotrón existen en la naturaleza en diversas formas. La aceleración y captura de partículas cargadas por el campo gravitatorio de una estrella, un agujero negro o una galaxia es una fuente de rayos X cósmicos energéticos. Los rayos gamma se producen en otros tipos de objetos cósmicos, como las supernovas, las estrellas de neutrones y los cuásares.

Fuentes de frecuencias discretas y absorbentes de radiación electromagnética

Son las que se encuentran habitualmente en la vida cotidiana. Ejemplos familiares de radiación electromagnética de frecuencia discreta son los distintos colores de las lámparas llenas de diferentes gases fluorescentes que son característicos de los carteles publicitarios, los colores de los tintes y pigmentos, el amarillo brillante de las lámparas de sodio, el tono azul verdoso de las lámparas de mercurio y los colores específicos de los láseres.

Las fuentes de radiación electromagnética de frecuencia específica suelen ser átomos o moléculas. Cada átomo o molécula puede tener ciertas energías internas discretas, que se denominan estados cuánticos.

Una Conclusión

Por lo tanto, un átomo o una molécula sólo puede cambiar su energía interna en cantidades discretas. Al pasar de un estado energético superior a otro inferior, se emite un cuanto hν de radiación electromagnética de una magnitud que es precisamente la diferencia de energía entre el estado superior y el inferior. La absorción (véase su concepto jurídico) de un cuanto hν lleva al átomo de un estado inferior a uno superior si hν coincide con la diferencia de energía. Todos los átomos similares son idénticos, pero cada elemento químico de la tabla periódica tiene su propio conjunto específico de posibles energías internas. Por tanto, midiendo la radiación electromagnética característica y discreta que emiten o absorben los átomos o las moléculas, se puede identificar qué tipo de átomo o molécula emite o absorbe la radiación. Esto permite determinar la composición química de las sustancias. Dado que no se puede someter un trozo de una estrella lejana a un análisis químico convencional, el estudio de la emisión o absorción (véase su concepto jurídico) de la luz estelar es la única forma de determinar la composición de las estrellas o de los gases y el polvo interestelares.

El Sol, por ejemplo, no sólo emite el espectro continuo de radiación que se origina en su superficie caliente, sino que también emite cuantos de radiación discretos hν que son característicos de su composición atómica. Muchos de los elementos pueden detectarse en la superficie solar, pero el más abundante es el helio. Esto es así porque el helio es el producto final de la reacción de fusión nuclear que es la fuente de energía fundamental del Sol. Este elemento en particular recibió el nombre de helio (de la palabra griega helios, que significa “Sol”) porque su existencia se descubrió por primera vez por sus energías de absorción (véase su concepto jurídico) características en el espectro del Sol. El helio de las partes exteriores más frías de la atmósfera solar absorbe las frecuencias de luz características de las regiones más bajas y calientes del Sol.

Las energías características y discretas hν encontradas como emisión y absorción (véase su concepto jurídico) de la radiación electromagnética por los átomos y moléculas se extienden hasta las energías de los rayos X. Cuando los electrones de alta energía golpean la pieza de metal en un tubo de rayos X, los electrones son expulsados de la capa de energía interna de los átomos. Estos espacios vacíos se llenan con electrones de la segunda o tercera capa; en este proceso se emiten rayos X con valores hν que corresponden a las diferencias de energía de las capas.

Una Conclusión

Por lo tanto, no sólo se observa el espectro continuo del bremsstrahlung comentado anteriormente, sino también emisiones de rayos X de energías discretas hν que son características de la composición elemental específica del metal golpeado por los electrones energéticos en el tubo de rayos X.

Las energías discretas de radiación electromagnética hν emitidas o absorbidas por todas las sustancias reflejan la discreción de las energías internas de todas las cosas materiales. Esto significa que el vidrio de las ventanas y el agua son transparentes a la luz visible; no pueden absorber estos cuantos de luz visible porque sus energías internas son tales que ninguna diferencia de energía entre un estado interno superior y otro inferior coincide con la energía hν de la luz visible. La figura 3 muestra como ejemplo el coeficiente de absorción (véase su concepto jurídico) del agua en función de la frecuencia ν de la radiación electromagnética. Por encima de la escala de frecuencias, se dan las correspondientes escalas de energía de los fotones hν y de longitud de onda λ. Un coeficiente de absorción (véase su concepto jurídico) α = 10-4 cm-1 significa que la intensidad de la radiación electromagnética es sólo un tercio de su valor original tras atravesar 100 metros de agua. Cuando α = 1 cm-1, sólo se necesita una capa de 1 cm de grosor para reducir la intensidad a un tercio de su valor original, y, para α = 103 cm, una capa de agua con el grosor de una fina hoja de papel es suficiente para atenuar la radiación electromagnética en esa cantidad. La transparencia del agua a la luz visible, marcada por las líneas discontinuas verticales, es una característica notable y significativa para la vida en la Tierra.

Todas las cosas tienen un aspecto y unos colores diferentes debido a sus diferentes conjuntos de energías discretas internas, que determinan su interacción con la radiación electromagnética. Las palabras mirar y colores se asocian a los detectores humanos de la radiación electromagnética, los ojos. Dado que existen instrumentos para detectar la radiación electromagnética de cualquier frecuencia, se puede imaginar que las cosas “se ven” de forma diferente a distintas energías del espectro porque los distintos materiales tienen sus propios conjuntos característicos de energías internas discretas. Incluso los núcleos de los átomos son compuestos de otras partículas elementales y, por tanto, pueden ser excitados a muchos estados de energía interna discretos. Dado que las energías nucleares son mucho mayores que las energías atómicas, las diferencias de energía entre los estados de energía interna son sustancialmente mayores, y los correspondientes cuantos de radiación electromagnética hν emitidos o absorbidos cuando los núcleos cambian sus energías son incluso mayores que los de los rayos X. Estos cuantos emitidos o absorbidos por los núcleos atómicos se denominan rayos gamma (véase más arriba El espectro electromagnético).

Propiedades y comportamiento

Dispersión, reflexión y refracción

Si una partícula cargada interactúa con una onda electromagnética, experimenta una fuerza proporcional a la intensidad del campo eléctrico y se ve obligada a cambiar su movimiento de acuerdo con la frecuencia de la onda del campo eléctrico. Al hacerlo, se convierte en una fuente de radiación electromagnética de la misma frecuencia, como se ha descrito en el apartado anterior. La energía para el trabajo realizado en la aceleración de la partícula cargada y la emisión de esta radiación secundaria proviene de la onda primaria y se pierde por ella. Este proceso se denomina dispersión.

Dado que la densidad de energía de la radiación electromagnética es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico y la intensidad del campo es causada por la aceleración de una carga, la energía radiada por dicho oscilador de carga aumenta con el cuadrado de la aceleración. Por otra parte, la aceleración de un oscilador depende de la frecuencia de la oscilación de ida y vuelta. La aceleración aumenta con el cuadrado de la frecuencia. Esto lleva al importante resultado de que la energía electromagnética radiada por un oscilador aumenta muy rápidamente, es decir, con el cuadrado del cuadrado o, como se dice, con la cuarta potencia de la frecuencia. Así, duplicar la frecuencia produce un aumento de la energía radiada por un factor de 16.

Este rápido aumento de la dispersión con la frecuencia de la radiación electromagnética puede verse en cualquier día soleado: es la razón por la que el cielo es azul y el Sol que se pone es rojo. La luz azul de mayor frecuencia del Sol se dispersa mucho más por los átomos y moléculas de la atmósfera terrestre que la luz roja de menor frecuencia.

Una Conclusión

Por lo tanto, la luz del Sol poniente, que atraviesa una gruesa capa de atmósfera, tiene mucho más rojo que luz amarilla o azul, mientras que la luz dispersada desde el cielo contiene mucho más azul que luz amarilla o roja.

El proceso de dispersión, o de irradiación de una parte de la onda electromagnética por un oscilador de carga, es fundamental para entender la interacción de la radiación electromagnética con los sólidos, los líquidos o cualquier materia que contenga un número muy grande de cargas y, por tanto, un enorme número de osciladores de carga. Esto también explica por qué una sustancia que tiene osciladores de carga de determinadas frecuencias absorbe y emite radiación de esas frecuencias.

Cuando la radiación electromagnética incide sobre una gran colección de pequeños osciladores de carga individuales, como en un trozo de vidrio o metal o en una pared de ladrillos, todos estos osciladores realizan oscilaciones al unísono, siguiendo el ritmo de la onda eléctrica. Como resultado, todos los osciladores emiten radiación secundaria al unísono (o de forma coherente), y la radiación secundaria total procedente del sólido consiste en la suma de todas estas ondas electromagnéticas secundarias coherentes. Esta suma total da lugar a la radiación que se refleja en la superficie del sólido y a la radiación que se adentra en el sólido con un cierto ángulo respecto a la normal de (es decir, una línea perpendicular a) la superficie. Esta última es la radiación refractada que puede ser atenuada (absorbida) en su camino a través del sólido.

Superposición e interferencia

Cuando dos ondas electromagnéticas de la misma frecuencia se superponen en el espacio, la intensidad del campo eléctrico y magnético resultante en cualquier punto del espacio y del tiempo es la suma de los campos respectivos de las dos ondas. Cuando se forma la suma, hay que considerar tanto la magnitud como la dirección de los campos, lo que significa que se suman como vectores.Entre las Líneas En el caso especial de que dos ondas igualmente fuertes tengan sus campos en la misma dirección en el espacio y en el tiempo (es decir, cuando están en fase), el campo resultante es el doble del de cada onda individual. La intensidad resultante, al ser proporcional al cuadrado de la intensidad del campo, no es dos sino cuatro veces la intensidad de cada una de las dos ondas superpuestas.

Por el contrario, la superposición de una onda que tiene un campo eléctrico en una dirección (positiva) en el espacio y el tiempo con una onda de la misma frecuencia que tiene un campo eléctrico en la dirección opuesta (negativa) en el espacio y el tiempo conduce a la cancelación y a la ausencia de la onda resultante (intensidad cero). Dos ondas de este tipo se denominan desfasadas. El primer ejemplo, el de la superposición en fase que produce cuatro veces la intensidad individual, constituye lo que se llama interferencia constructiva. El segundo ejemplo, el de la superposición desfasada que da lugar a una intensidad nula, es una interferencia destructiva. Dado que el campo resultante en cualquier punto y tiempo es la suma de todos los campos individuales en ese punto y tiempo, estos argumentos se extienden fácilmente a cualquier número de ondas superpuestas. Se encuentran interferencias constructivas, destructivas o parciales para ondas que tienen la misma frecuencia y relaciones de fase dadas.

Propagación y coherencia

Una vez generada, una onda electromagnética se autopropaga porque un campo eléctrico que varía en el tiempo produce un campo magnético que varía en el tiempo y viceversa. Cuando se enciende una corriente oscilante en una antena durante, por ejemplo, ocho minutos, el principio del tren electromagnético llega al Sol justo cuando se apaga la antena, porque la radiación electromagnética tarda unos segundos más de ocho minutos en llegar al Sol. Este tren de ondas de ocho minutos, que es tan largo como la distancia entre el Sol y la Tierra, continúa entonces viajando con la velocidad de la luz más allá del Sol hacia el espacio más allá.

A excepción de las ondas de radio transmitidas por antenas que permanecen encendidas durante muchas horas, la mayoría de las ondas electromagnéticas llegan en muchos trozos pequeños. La longitud y la duración de un tren de ondas se denominan longitud de coherencia y tiempo de coherencia, respectivamente. La luz del Sol o de una bombilla llega en muchas ráfagas diminutas que duran una millonésima de segundo y tienen una longitud de coherencia de aproximadamente un centímetro. La energía radiante discreta emitida por un átomo al cambiar su energía interna puede tener una longitud de coherencia varios cientos de veces mayor (de uno a 10 metros), a menos que el átomo radiante sea perturbado por una colisión.

El tiempo y el espacio en que los campos eléctrico y magnético tienen un valor máximo o son nulos entre la inversión de sus direcciones son diferentes para los distintos trenes de ondas.

Una Conclusión

Por lo tanto, está claro que el fenómeno de la interferencia sólo puede surgir de la superposición de una parte de un tren de ondas consigo mismo. Esto se puede conseguir, por ejemplo, con un espejo semitransparente que refleje la mitad de la intensidad y transmita la otra mitad de cada uno de los mil millones de trenes de ondas de una fuente de luz determinada, digamos, una lámpara de descarga de sodio amarilla. Uno de estos medios haces puede viajar en la dirección A y el otro en la dirección B, como se muestra en la figura 4. Reflejando cada medio haz, se pueden superponer los dos medios haces y observar el total resultante. Si uno de los medios haces tiene que recorrer un camino de 1/2 longitud de onda o 3/2 o 5/2 de longitud de onda más largo que el otro, entonces la superposición no produce luz alguna porque los campos eléctricos y magnéticos de cada medio tren de ondas en los dos medios haces apuntan en direcciones opuestas y su suma es, por tanto, cero. Lo importante es que la cancelación se produce entre cada medio tren de ondas y su compañero. Este es un ejemplo de interferencia destructiva. Ajustando las longitudes de trayectoria A y B de forma que sean iguales o difieran en λ, 2λ, 3λ…, los campos eléctricos y magnéticos de cada medio tren de ondas y su compañero se suman cuando se superponen. Esto es una interferencia constructiva y, como resultado, se ve una luz intensa.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Velocidad de la radiación electromagnética y efecto Doppler

La radiación electromagnética -o, en terminología moderna, los fotones hν- viaja siempre en el espacio libre con la velocidad universal c, es decir, la velocidad de la luz. Se trata de una situación muy desconcertante que fue verificada experimentalmente por primera vez por Michelson y Edward Williams Morley, otro científico estadounidense, en 1887. Es el axioma básico de la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Aunque no hay duda de que es cierto, la situación es desconcertante porque es muy diferente del comportamiento de las partículas normales, es decir, de los trozos de materia pequeños o no tan pequeños. Cuando uno persigue detrás de una partícula normal (por ejemplo, un avión) o se mueve desde la dirección opuesta hacia ella, uno ciertamente medirá velocidades muy diferentes del avión con respecto a uno mismo. Uno detectaría una velocidad relativa muy baja en el primer caso y una muy alta en el segundo. Además, una bala disparada hacia delante del avión y otra hacia atrás parecerían moverse con velocidades diferentes respecto a uno mismo. Esto no ocurre en absoluto cuando se mide la velocidad de la radiación electromagnética: independientemente del movimiento de uno mismo o de la fuente de la radiación electromagnética, cualquier medición realizada por un observador en movimiento dará como resultado la velocidad universal de la luz. Esto debe aceptarse como un hecho de la naturaleza.

¿Qué ocurre con el tono o la frecuencia cuando la fuente se mueve hacia los observadores o se aleja de ellos? A partir de las ondas sonoras se ha establecido que la frecuencia es mayor cuando una fuente sonora se mueve hacia los observadores y menor cuando se aleja de ellos. Se trata del efecto Doppler, llamado así por el físico austriaco Christian Doppler, que describió el fenómeno por primera vez en 1842. Doppler predijo que el efecto también se produce con la radiación electromagnética y sugirió que se utilizara para medir las velocidades relativas de las estrellas. Esto explica por qué una luz azul característica emitida, por ejemplo, por un átomo de helio excitado al pasar de un estado de energía interna superior a otro inferior deja de ser azul cuando se observa esta luz procedente de átomos de helio que se alejan muy rápidamente de la Tierra con, por ejemplo, una galaxia. Cuando la velocidad de dicha galaxia lejos de la Tierra es alta, la luz puede aparecer amarilla; si la velocidad es aún mayor, puede aparecer roja o incluso infrarroja.

Una Conclusión

Por lo tanto, la velocidad de las galaxias y de las estrellas con respecto a la Tierra se mide a partir del desplazamiento Doppler de las energías de radiación atómica características hν.

Radiación electromagnética de fondo cósmico

Cuando se miden las velocidades relativas de las galaxias mediante el desplazamiento Doppler de las emisiones de radiación características, se observa que todas las galaxias se alejan unas de otras. Las que se mueven más rápido son los sistemas más alejados (ley de Hubble). Las velocidades y distancias dan la apariencia de una explosión. Se calcula que esta explosión, denominada big bang, se produjo hace 13.800 millones de años, lo que se considera la edad del universo. A partir de este momento, el universo se expandió y se enfrió. Los científicos estadounidenses Robert W. Wilson y Arno Penzias determinaron en 1965 que todo el universo puede concebirse como un cuerpo negro en expansión lleno de radiación electromagnética que ahora corresponde a una temperatura de 2,735 K, sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto. Debido a esta baja temperatura, la mayor parte de la energía de la radiación se encuentra en la región de microondas del espectro electromagnético. La intensidad de esta radiación corresponde, por término medio, a unos 400 fotones en cada centímetro cúbico del universo. Se ha calculado que hay unos mil millones de veces más fotones en el universo que electrones, núcleos y todo lo demás en conjunto. La presencia de esta radiación cósmica de fondo de microondas apoya las predicciones de la cosmología del big-bang.

La energía de los cuantos de radiación electromagnética está sometida a fuerzas gravitatorias al igual que una masa de magnitud m = hν/c2. Esto es así porque la relación de la energía E y la masa m es E = mc2. Como consecuencia, la luz que viaja hacia la Tierra gana energía y su frecuencia se desplaza hacia el azul (longitudes de onda más cortas), mientras que la luz que viaja “hacia arriba” pierde energía y su frecuencia se desplaza hacia el rojo (longitudes de onda más largas). Estos desplazamientos son muy pequeños, pero han sido detectados por los físicos estadounidenses Robert V. Pound y Glen A. Rebka.

El efecto de la gravitación

El efecto de la gravitación sobre la luz aumenta con la fuerza de la atracción gravitatoria. Así, un haz de luz procedente de una estrella lejana no viaja en línea recta al pasar por una estrella como el Sol, sino que se desvía hacia ella. Esta desviación puede ser fuerte alrededor de objetos cósmicos muy pesados, que entonces distorsionan la trayectoria de la luz actuando como una lente gravitacional.

En condiciones extremas, la fuerza gravitatoria de un objeto cósmico puede ser tan fuerte que ninguna radiación electromagnética puede escapar a la atracción gravitatoria.

Una Conclusión

Por lo tanto, un objeto de este tipo, llamado agujero negro, no es visible y su presencia sólo puede detectarse por su efecto gravitatorio sobre otros objetos visibles en su proximidad. (Para más información, véase astronomía).

El efecto invernadero de la atmósfera

La temperatura del entorno de la superficie terrestre está controlada no sólo por la radiación electromagnética del Sol, sino también de forma sensible por la atmósfera de la Tierra. Como se ha señalado anteriormente, cada sustancia absorbe y emite radiación electromagnética de algunas energías hν y no lo hace en otros rangos de energía. Estas regiones de transparencia y opacidad se rigen por la particular distribución de energías internas de la sustancia.

La atmósfera terrestre actúa de forma muy parecida a los cristales de un invernadero: permite que la luz solar, sobre todo en su rango visible, llegue a la Tierra y la caliente, pero impide en gran medida que la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre calentada escape al espacio. Dado que la atmósfera se vuelve cada vez más delgada con el aumento de la altitud sobre la Tierra, hay menos absorción (véase su concepto jurídico) atmosférica en las regiones más altas de la atmósfera. A una altitud de 100 km (62 millas), la fracción de atmósfera es una 10 millonésima parte de la que hay en el suelo. Por debajo de los 10 millones de hertzios (107 Hz), la absorción (véase su concepto jurídico) se debe a la ionosfera, una capa en la que los átomos y las moléculas de la atmósfera son ionizados por la radiación ultravioleta del Sol.Entre las Líneas En la región del infrarrojo, la absorción (véase su concepto jurídico) se debe a las vibraciones y rotaciones moleculares.Entre las Líneas En las regiones ultravioleta y de rayos X, la absorción (véase su concepto jurídico) se debe a las excitaciones electrónicas de los átomos y las moléculas.

Sin el vapor de agua y el dióxido de carbono (CO2), que son, junto con ciertos contaminantes industriales, las principales especies que absorben los rayos infrarrojos en la atmósfera, la Tierra experimentaría las variaciones extremas de temperatura entre el día y la noche que se producen en la Luna. La Tierra sería entonces un planeta helado, como Marte, con una temperatura media de 200 K (-73 °C, o -100 °F), y no podría albergar vida. Los científicos creen que la temperatura de la Tierra y el clima en general se verán afectados a medida que la composición de la atmósfera se vea alterada por una mayor liberación y acumulación de dióxido de carbono y otros gases contaminantes (para una discusión detallada, véase clima; hidrosfera; y calentamiento global).

Formas de radiación electromagnética

Nota: Consulte más detadalladamente sobre las formas de radiación electromagnética.

La radiación electromagnética aparece en una gran variedad de formas y manifestaciones. Sin embargo, se entiende que estos diversos fenómenos constituyen un único aspecto de la naturaleza, siguiendo principios físicos simples. Todas las formas tienen en común el hecho de que la radiación electromagnética interactúa con cargas eléctricas y es generada por ellas.

Pormenores

Las aparentes diferencias en los fenómenos surgen de la cuestión de en qué entorno y bajo qué circunstancias pueden responder las cargas en la escala temporal de la frecuencia ν de la radiación.

Datos verificados por: James
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Radiación electromagnética: Electromagnetic radiation.

Véase También

Medición de antenas
Bioelectromagnetismo
Bolómetro
Control de la radiación electromagnética
Pulso electromagnético
Radiación electromagnética y salud
Acoplamiento de ondas evanescentes
Método del dominio del tiempo por diferencia finita
Ondas gravitacionales
Helicon
Impedancia del espacio libre
Reacción a la radiación
Riesgos y beneficios de la exposición al sol
Soluciones de ondas planas sinusoidales de la ecuación de ondas electromagnéticas

Bibliografía

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